JPH04297548A - 高強度高靭性非調質鋼とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱間鍛造用非調質鋼とそ
の製造方法に係り、より詳細には、熱間でプレス等によ
り成形加工した後、調質処理を施すことなく、そのまま
機械加工によって仕上げられる製造品、例えば、自動車
などの各種機械部品用の非調質鋼とその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、ナックルスピンドル、ナックルアーム等々の主とし
て足廻り部品などの自動車部品や各種機械部品に用いら
れる熱間鍛造又は圧延部品には、熱間加工後、焼入れ−
焼戻し処理を施して所定の強度を確保する、いわゆる調
質型の鋼が用いられているが、近年の省エネルギー化、
低コスト化の要請から、かゝる調質処理を必要とせずに
熱間加工後、そのまま利用できる非調質鋼の開発が進め
られている。

【０００３】このような非調質鋼の一例として、例えば
、熱間鍛造部品の場合、中炭素鋼にＶを添加した物を熱
間鍛造後空冷し、組織をフェライト−パーライトとし、
Ｖ炭化物の析出強化により強度向上を狙ったタイプの非
調質鋼が一部利用されるようになった（例、特公昭５８
−５３７０９号、同６１−２８７４２号）。しかし、こ
のような非調質鋼を用いた熱間鍛造品は、一般に強度が
十分でなく、ますます増大する高強度化の要請には十分
応えられない。

【０００４】本発明は、上述の従来の非調質鋼の欠点で
ある強度劣化の問題を解決して、熱間鍛造後に調質処理
を施すことなく、高強度を確保すると共に優れた靭性を
有し、併せて非調質鋼の利点である熱間鍛造に際して省
エネルギー、コスト低減化を可能とする非調質鋼を提供
し、またその製造方法を提供することを目的とするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の非
調質鋼が強度に劣る原因等について検討した結果、従来
の非調質鋼は、中炭素鋼を熱間鍛造後空冷等で徐冷し、
組織をフェライト−パーライトとするため十分な強度が
得られないので、強度不足を補うために、Ｖの析出強化
を利用しているが、フェライト−パーライト組織では高
強度に限界があり、また、Ｖの析出強化により靭性を低
下させてしまうことが判明した。そこで、この対策につ
いて鋭意研究を重ねた結果、初析フェライトを析出させ
ない成分組成及び熱履歴によって優れた強度の確保と靭
性の維持が可能であることを見い出した。

【０００６】すなわち、■比較的低Ｃ（０．０４〜０．
２０％）とすることにより、Ｍｓ点を高めてセルフテン
パーの効果により靭性を向上させ、また■熱間鍛造後の
冷却の際に水冷等の急速冷却を施してマルテンサイト、
ベイナイト又はマルテンサイトとベイナイトの混合組織
を主体とし、組織の形態をラス状の組織としてラス間に
体積率で１〜５％の範囲の残留オーステナイトを含む組
織、すなわち実質的に初析フェライトを含まない組織を
得ることにより、高強度と共に良好な靭性が得られるの
であり、かゝる知見に基づいて本発明を完成したもので
ある。

【０００７】すなわち、本発明は、Ｃ：０．０４〜０．
２０％、Ｓｉ：０．０２〜２．５％、Ｍｎ：１．０〜３
．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜
０．０５％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％及びＡｌ
：０．００５〜０．１％を含有し、必要に応じて更に、
Ｎｉ：０．５〜３．０％、Ｃｒ：０．５〜３．０％及び
Ｍｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種又は２種以上、
及び／又は、Ｓ≦０．１５％、Ｐｂ≦０．３％、Ｃａ≦
０．０１％、Ｓｅ≦０．３％、Ｔｅ≦０．３％及びＢｉ
≦０．３％のうちの１種又は２種以上を含有し、残部が
実質的にＦｅからなり、熱間鍛造後の組織の主体がマル
テンサイト若しくはベイナイト又はマルテンサイトとベ
イナイトの混合組織であり、かつ、組織形態がラス状の
組織であってラス間には体積率１〜５％の範囲の残留オ
ーステナイトを含むことを特徴とする高強度高靭性非調
質鋼を要旨とするものである。

【０００８】また、その製造方法は、上記の化学成分を
有する鋼について、９００〜１３００℃で熱間鍛造を行
った後、水冷若しくは油冷又はこれに相当する冷却速度
で冷却することにより、組織の主体をマルテンサイト若
しくはベイナイト又はマルテンサイトとベイナイトの混
合組織とし、かつ、組織形態がラス状の組織であってラ
ス間には体積率で１〜５％の範囲の残留オーステナイト
を含む組織を得ることを特徴とするものである。

【０００９】以下に本発明を更に詳述する。

【００１０】

【作用】まず、本発明における化学成分の限定理由を説
明する。

【００１１】Ｃ： Ｃは低Ｃの高強度鋼として必要な強度を確保するために
必要な元素であり、そのためには０．０４％以上を含有
させることが必要である。しかし、０．２０％を超えて
多量に含有させると、Ｍｓ点が低下し、セルフテンパー
の効果が減少し、靭性が低下して実用的でなくなる。し
たがって、Ｃ量は０．０４〜０．２０％の範囲とする。

【００１２】Ｓｉ： Ｓｉは溶製時の脱酸効果の他、母地の強化に有効な元素
であり、そのためには０．０２％以上を添加する必要が
ある。しかし、２．５％を超えて多量に添加すると被削
性が低下する。したがって、Ｓｉ量は０．０２〜２．５
％の範囲とする。

【００１３】Ｍｎ： Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶製時の脱酸効果の他、母地の強
化に有効な元素であり、そのために１．０％以上を添加
する必要がある。しかし、３．０％を超えて多量に添加
すると介在物が増加し、被削性が低下する。したがって
、Ｍｎ量は１．０〜３．０％の範囲とする。

【００１４】Ｎｂ： Ｎｂはオーステナイト結晶粒の粗大化防止や焼入性向上
に有効であり、鋼の強度、靭性を改善するのにも有効で
ある。しかし、０．０１％未満ではその効果が得られず
、また０．２％を超えて添加しても添加量の増加の割り
にはその効果は少ない。したがって、Ｎｂ量は０．０１
〜０．２％の範囲とする。

【００１５】Ｔｉ： Ｔｉは窒素をオーステナイト中で固定し、Ｂ添加による
焼入性を高めるために添加する必要がある。しかし、０
．０１％未満ではその効果が得られず、一方、０．０５
％を超えて多すぎると巨大な窒化物や炭化物が生じ、靭
性を低下する。したがって、Ｔｉ量は０．０１〜０．０
５％の範囲とする。

【００１６】Ｂ： Ｂは亜共析鋼において焼入れ性を向上させるのに効果の
ある元素である。特にオーステナイト粒径が小さいとき
の焼入性を向上させる効果が大きく、その最大効果の得
られる成分範囲が０．０００３〜０．００５％であるこ
とが判明した。したがって、Ｂ量は０．０００３〜０．
００５％の範囲とする。

【００１７】Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ： Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは焼入性の向上に有効であり、また鋼
の強度、靭性を改善するのにも有効であり、特に大型の
鍛造部品の場合に有効な元素であるので、必要に応じて
単独又は複合で添加できる。添加する場合には、Ｎｉと
Ｃｒはそれぞれ０．５％以上、Ｍｏは０．０５％以上が
必要である。しかし、ＮｉとＣｒはそれぞれ３．０％、
Ｍｏは１．０％を超えて添加してもその効果は少ない。 したがって、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏのそれぞれの添加量は、
Ｎｉ：０．５〜３．０％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ｍ
ｏ：０．０５〜１．０％の範囲とする。

【００１８】Ｓ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉ：Ｓ、
Ｐｂ、Ｃａ、Ｓｅ、Ｔｅ及びＢｉは被削性の改善に効果
がある元素であり、必要に応じて単独又は複合で添加で
きる。これらの元素の添加量は、鋼の基本的な性質に及
ぼす影響を考慮して、Ｓは０．１５％以下、Ｐｂは０．
３０％以下、Ｃａは０．０１％以下、Ｓｅは０．３０％
以下、Ｔｅは０．３０％以下、Ｂｉは０．３０％以下と
し、この範囲内であれば強度、靭性に格別の影響を与え
ることがない。

【００１９】なお、本発明鋼には製造上、Ｐ等の不可避
的不純物が含まれるが、それらは本発明の効果を損わな
い限度で許容される。

【００２０】組織：上述の化学成分を有する本発明鋼は
、熱間鍛造後の組織が、化学成分、冷却方法、鍛造品の
大きさにより広範囲に変化する。組織中に初析フェライ
トを含有すると、本発明鋼は炭素量が比較的低いため、
強度がその含有量と共に著しく低減し、目的とする強度
が得られない。そのため、組織の主体はマルテンサイト
若しくはベイナイト又はマルテンサイトとベイナイトの
混合組織とする必要がある。しかしながら、このような
組織が得られても、組織形態が粒状の組織の場合、靭性
が比較的低いので、ラス状の組織でラス間に体積率で１
〜５％の範囲の残留オーステナイトを含む組織とする必
要がある。

【００２１】次に製造条件について説明する。

【００２２】上記化学成分を有する鋼は、非調質鋼に関
し従来と同様の製造工程により製造して熱間鍛造部品と
される。但し、熱間鍛造は、９００〜１３００℃の温度
に加熱してプレスなどにより鍛造成形を行い、その後、
直接冷却される。ここで、加熱温度を９００℃以上とす
るのは、完全にオーステナイト状態にするためであり、
もし、完全にオーステナイト状態でなければこれに伴う
強度、靭性の低下が起こる。一方、１３００℃を超える
温度に加熱すると、鍛造中に熱間脆性を生じて割れ発生
の原因となるため、加熱温度は１３００℃以下に限定す
る。

【００２３】また、熱間鍛造後の冷却に際しては、鍛造
部品の肉厚や合金添加量に応じて直接、水、油或いはこ
れらに近い冷却能を有する冷却媒体中で冷却して、組織
の主体をマルテンサイト若しくはベイナイト又はマルテ
ンサイトとベイナイトの混合組織で、かつ、組織形態が
ラス状の組織であってラス間には体積率で１〜５％の範
囲の残留オーステナイトを含む組織を得る。

【００２４】次に本発明の実施例を示す。

【００２５】

【実施例】

【表１】 及び

【表２】 に示す化学成分（ｗｔ％）を有する各種の鋼を常法によ
り溶解、鋳造し、鍛造用素材とした。なお、表２中の従
来鋼のうち、Ｎｏ．２９は熱間鍛造後焼入焼き戻し処理
を施して使用されている調質鋼であり、Ｎｏ．３０は熱
間鍛造用として使用されている非調質鋼である。

【００２６】次いで、この鍛造用素材を熱間鍛造により
φ１５〜３０ｍｍの丸棒の形状にした。これらの材料を
用いて、

【表３】 、

【表４】 、

【表５】 、

【表６】 に示す熱処理を実施して試料とした。なお、供試鋼Ｎｏ
．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４におけるサブゼロ処理条件は
−１９６℃とした。

【００２７】各試料の機械的性質を調べるために、室温
において引張試験、シャルピー衝撃試験を実施した。そ
の結果を表３〜表６に示す。なお、引張試験にはＪＩＳ
４号引張試験片を用い、シャルピー衝撃試験にはＪＩＳ
３号フルサイズ試験片を用いた。また、表３〜表５には
各試料の残留オーステナイト量の測定結果、及びミクロ
組織の形態も示した。

【００２８】表３〜表６に示すとおり、本発明鋼の水冷
材は、いずれも、高強度と優れた衝撃値を兼ね備えてお
り、本発明鋼と同一成分の空冷材又は水冷後サブゼロ処
理を施した材料と比べて、優れた強度−靭性バランスを
有している（図１参照）。特に、従来の非調質鋼（供試
鋼Ｎｏ．３０）と比べると、顕著に改善されていること
がわかる。

【００２９】なお、上記例では冷却方法として水冷と空
冷を採用したが、水冷に代えて油冷を採用した場合も水
冷の場合と同様の結果が得られた。また、被削性に改善
効果のある元素を添加した本発明鋼について切削試験を
実施したところ、優れた被削性を備えていることを確認
した。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
低Ｃ鋼にてＴｉ、Ｂ等の元素を適量添加して化学成分を
調整し、鍛造後の組織の主体を低Ｃのマルテンサイト又
はベイナイト或いはこれらの混合組織とし、かつその組
織形態がラス間に体積率で１〜５％の範囲の残留オース
テナイトを含有させたものであるので、従来の非調質鋼
と比べ、高強度で靭性に優れた非調質鋼を得ることがで
きる。更に、非調質鋼であるため、調質鋼に比べて焼入
−焼き戻しの熱処理を省略でき、生産性の向上並びに低
コスト化の効果が顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼及び従来鋼（調質鋼、非調質鋼）にお
ける引張強さとシャルピー衝撃値の関係において、本発
明鋼のラス状組織と粒状組織の差異、並びにラス状組織
における残留オーステナイト量の差異における引張強さ
とシャルピー衝撃値の関係を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　　　重量％で（以下、同じ）、Ｃ：０
   ．０４〜０．２０％、Ｓｉ：０．０２〜２．５％、Ｍｎ
   ：１．０〜３．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ
   ：０．０１〜０．０５％、Ｂ：０．０００３〜０．００
   ５％及びＡｌ：０．００５〜０．１％を含有し、残部が
   実質的にＦｅからなり、熱間鍛造後の組織の主体がマル
   テンサイト若しくはベイナイト又はマルテンサイトとベ
   イナイトの混合組織であり、かつ、組織形態がラス状の
   組織であってラス間には体積率１〜５％の範囲の残留オ
   ーステナイトを含むことを特徴とする高強度高靭性非調
   質鋼。
2. 【請求項２】　　前記鋼が更にＮｉ：０．５〜３．０％
   、Ｃｒ：０．５〜３．０％及びＭｏ：０．０５〜１．０
   ％のうちの１種又は２種以上を含有している請求項１に
   記載の高強度高靭性非調質鋼。
3. 【請求項３】　　前記鋼が更にＳ≦０．１５％、Ｐｂ≦
   ０．３％、Ｃａ≦０．０１％、Ｓｅ≦０．３％、Ｔｅ≦
   ０．３％及びＢｉ≦０．３％のうちの１種又は２種以上
   を含有している請求項１又は２に記載の高強度高靭性非
   調質鋼。
4. 【請求項４】　　請求項１、２又は３に記載の化学成分
   を有する鋼について、９００〜１３００℃で熱間鍛造を
   行った後、水冷若しくは油冷又はこれに相当する冷却速
   度で冷却することにより、組織の主体をマルテンサイト
   若しくはベイナイト又はマルテンサイトとベイナイトの
   混合組織とし、かつ、組織形態がラス状の組織であって
   ラス間には体積率で１〜５％の範囲の残留オーステナイ
   トを含む組織を得ることを特徴とする高強度高靭性非調
   質鋼の製造方法。